Jitter analysieren und minimieren in mehrgliedrigen Taktbäumen

Bei den meisten elektronischen Designs ist ein präzises Timing wichtig, damit sie richtig funktionieren. Denn für viele Anwendungen ist eine Kombination aus synchronen Taktsignalen an bestimmten Stellen auf einer Leiterplatte und asynchronen Taktsignalen an anderen Stellen notwendig. Diese Implementierung wird häufig als mehrgliedriger Taktbaum (Multi-Branch-Clock-Tree) bezeichnet. Bei der Implementierung eines solchen komplexen Timings ist Jitter ist dabei eine der wichtigsten Timing-Spezifikationen und ein Maß für die Periodenschwankungen eines Taktsignals, das sich mit zunehmender Komplexität und höheren Frequenzen der Taktbaumlösung verschlechtert. Die Einhaltung von Toleranzen, die bei Ultra-High-Speed-Anwendungen in der Größenordnung von Femtosekunden (10-15 s) liegen können, ist daher eine große Herausforderung. Dieser Beitrag erläutert die Hauptkomponenten eines Taktbaums, untersuchen die verschiedenen Arten und Quellen von Jitter und zeigen Möglichkeiten auf, die Auswirkungen von Jitter auf elektronische Schaltungen zu reduzieren.

Taktbaumdesigns sind in der Regel anwendungsspezifisch. Das bedeutet, dass es keine Standardlösung gibt. Bild 1 zeigt ein Beispiel für einen Taktbaum mit Komponenten von Silicon Labs.

Timing-Schaltungen bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Komponenten, wie etwa einem Quarz, einem Quarzoszillator, einem Puffer, einem Taktgenerator und einem Jitter-Dämpfungsglied. Bei einem Quarzkristall handelt es sich um einen piezoelektrischen Resonator, der die Frequenz des Timing-Signals bestimmt. Diese Quarze können so hergestellt werden, dass sie eine exakte Signalfrequenz (32 kHz bis 50 MHz) erzeugen, die bei Temperaturänderungen kaum schwankt. Ein Quarzoszillator (XO) ist eine Schaltung, die das vom Quarz erzeugte Signal verwendet, um andere benötigte Taktfrequenzen entweder in einem Single-Ended- oder einem Differentialformat zu erzeugen.

Ein Beispiel für einen solchen XO ist der PL602-03 von Microchip, der mit Quarzen zwischen 12 und 25 MHz arbeiten kann und eine jitterarme Ausgangsfrequenz von 48 bis 100 MHz erzeugt. Ein spannungsgesteuerter Quarzoszillator (VCXO) erzeugt eine Taktfrequenz, die durch Änderung einer angelegten Eingangsspannung variiert werden kann. Der NB3N508S von Onsemi ist ein VCXO, der aus einem 27-MHz-Quarzsignal eine Ausgangsfrequenz von 216 MHz erzeugt, indem er eine Spannung im Bereich von 0 bis 3,3 V an den VIN-Pin des Bauelements anlegt. Ein Taktgenerator ist ein IC, der das von einem XO oder einem VCXO erzeugte Signal nutzt, um mehrere Taktsignale mit unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen. Der Si5338Q von Silicon Labs ist ein Taktgenerator, der vier unabhängige, vom Benutzer programmierbare Taktfrequenzen von bis zu 350 MHz und andere ausgewählte Frequenzen von bis zu 710 MHz erzeugen kann. Dabei kann er vier differentielle Takte, acht Takte oder andere Kombinationen generieren (Bild 2).

Ein Taktpuffer, wie beispielsweise der 9DBL0 von IDT, nimmt das Taktsignal vom Quarzoszillator auf und verteilt es an verschiedene Abnehmer auf der Leiterplatte. Jitter-Dämpfungsglieder sind spezielle Bauelemente, die zur Reduzierung (Dämpfung) des Jitters in Taktsignalen für High-Speed-Anwendungen verwendet werden, bei denen Jitter zu einem großen Problem werden kann.

Jitter – einfach erklärt

Jitter ist ein Maß für die Schwankung der Periode eines realen Taktsignals im Verhältnis zu seinem Idealwert und wird in Sekunden gemessen. Jitter kann in zwei Formen auftreten: zufällig oder deterministisch. Zufälliger Jitter wird durch elektrisches Rauschen verursacht, das in elektronischen Komponenten vorhanden ist. Im Allgemeinen ist er jedoch so gering, dass er die Leistung der Schaltung nicht beeinträchtigt. Deterministischer Jitter tritt in der Regel wiederkehrend auf und kann entweder als periodisch oder datenabhängig eingeordnet werden. So ist beispielsweise Jitter, der durch ein Schaltnetzteil verursacht wird, periodisch, da er der verwendeten Schaltfrequenz entspricht. Datenabhängiger Jitter kann entweder periodisch oder aperiodisch sein und wird durch die wechselnden Taktzyklen und unregelmäßigen Taktflanken eines kodierten seriellen Datenstroms in Ethernet- oder PCIe-Systemen verursacht.

Datenabhängiger Jitter lässt sich oft nur schwer zurückverfolgen, da er systemabhängig ist. Jitter wird in der Regel in drei Kategorien klassifiziert: absolut, periodisch und Zyklus-zu-Zyklus. Absoluter Jitter wird auch als Zeitintervallfehler (JTIE) bezeichnet und ist der zeitliche Unterschied zwischen der Vorderflanke eines realen Taktes und seinem theoretisch berechneten Wert. Periodischer Jitter (Jper) ist die Differenz zwischen der längsten und der kürzesten Dauer einer Taktperiode über eine feste Anzahl von Zyklen (Bild 3). Demgegenüber ist der Zyklus-zu-Zyklus-Jitter (Jcc) die maximale Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Taktperioden, gemessen über eine feste Anzahl von Zyklen.

Ein übermäßig hoher Jitter kann sich negativ auf die Leistung von Schaltkreisen auswirken. Bei synchronem Ethernet (SyncE) und optischen Übertragungsnetzwerken (OTN) führt JTIE (absoluter Jitter) zu Synchronisationsverlusten, die für den ordnungsgemäßen Betrieb entscheidend sind. Jper (periodischer Jitter) und Jcc (Zyklus-zu-Zyklus-Jitter) sind bei digitalen Anwendungen wichtig, da sie die Aufbau- und Haltezeit von Latches und Flip Flops beeinflussen. Sie verringern das Abtastintervall von Präzisions-ADCs, was wiederum die Arbeitsgeschwindigkeit eines digitalen Prozessors begrenzt. Eine strikte Kontrolle von Jcc ist auch bei Anwendungen wichtig, bei denen es keine Änderungen der Taktfrequenz geben darf (Bild 4).

Jitter lässt sich durch geeignete Designverfahren minimieren. Zunächst ist es wichtig, sich vor Augen zu führen, dass jedes elektronische Gerät einen eigenen Jitter in eine Schaltung einbringt. Daher ist es sinnvoll, die Anzahl der verwendeten Geräte nach Möglichkeit zu reduzieren. Entwickler sollten auch darauf achten, die Vorgaben für den Jitter einer Schaltung nicht zu streng anzusetzen, da die meisten Schaltungen auch mit einem gewissen Jitter problemlos funktionieren können. Zur Kostensenkung bei der Entwicklung eines Taktbaums erscheint es zunächst sinnvoll, weniger Quarze und Taktgeneratoren und stattdessen mehr Taktpuffer zu verwenden, aber dadurch wird das Timing des Gesamtsystems weniger präzise. Die Präzision des Timings kann durch den Einsatz von VCXOs und Null-Delay-Puffern weiter verbessert werden. Allerdings erhöht sich dadurch die Komplexität des Designs.

Zur Einhaltung der Timing-Vorgaben kommen häufig auch andere Designverfahren zum Einsatz, wie z. B. kurze Signalleitungen (um die Latenz des Taktbaums zu verringern), die Verwendung sorgfältig aufeinander abgestimmter Komponenten, die Längenabstimmung der Taktleitungen und der Einsatz entsprechender Abstände und Abschirmungen, um unerwünschtes Übersprechen der Signale zu verhindern. Dies sind zwar gute Maßnahmen, aber sie garantieren nicht immer ein zufriedenstellendes Timing. Auch elektromagnetische Störungen, Spannungsschwankungen und mechanische Belastungen (die die piezoelektrischen Eigenschaften des Quarzes beeinflussen) tragen zum Jitter bei.

Jitter analysieren

Falls Jitter auch weiterhin ein Problem darstellt, kann es notwendig sein, eine sorgfältige messtechnische Analyse durchzuführen, um die Ursache des Problems zu ermitteln. Jitter wird in der Regel in RMS-Werten (Root Mean Square) des Timing-Inkrements (Piko- oder Femtosekunden) angegeben, da davon ausgegangen wird, dass er einer Gaußschen Verteilung folgt. Das daraus ermittelte Ergebnis ist die Standardabweichung der Jitter-Messungen, die in der Regel mit einem digitalen Hochgeschwindigkeits-Oszilloskop durchgeführt werden. Diese Messinstrumente eignen sich besonders für die Messung des datenabhängigen Jitters (JTIE, Jper und Jcc) bei hoch- oder niederfrequenten Taktsignalen. Nach der Erfassung der Jitter-Rohdaten wird der Wert für den RMS-Jitter nachbearbeitet. Dieser Wert wird dann in einen Peak-to-Peak-Wert umgewandelt. Dabei wird eine Crest-Faktor-Berechnung durchgeführt, die von einer akzeptierten typischen Bitfehlerrate (BER) von zehn bis zwölf ausgeht. Für diesen Wert der BER beträgt der Crest-Faktor 14,069, was bedeutet, dass 1 ps RMS-Jitter einem Peak-to-Peak-Jitter von 14,069 ps entspricht.

Standardverfahren zur Jitter-Minimierung

Sobald die Ursache des störenden Jitters im Taktbaum ermittelt wurde, können einige Standardverfahren eingesetzt werden, um ihn zu beseitigen. Dazu zählt beispielsweise die Verwendung einzelner Puffer mit mehreren Ausgängen (anstelle mehrerer Instanzen eines einzelnen Puffers), die Auswahl leistungsfähigerer Komponenten und die Umgestaltung und bessere Abstimmung der Längen von Leiterbahnen. In einem System, in dem zufälliger Jitter die Hauptursache für Timing-Probleme ist, empfiehlt es sich, die Anzahl der Komponenten so weit wie möglich zu reduzieren und dann jede Komponente nacheinander durch ein Bauelement mit höherer Spezifikation zu ersetzen, bis die Timing-Vorgaben erfüllt sind. In seltenen Fällen kann es vorkommen, dass die Anforderungen an den Jitter auch dann nicht erfüllt werden können, wenn alle anderen Versuche zur Fehlerbehebung erfolglos geblieben sind. In solchen Fällen bleibt nur die Verwendung von Jitter-Dämpfungsgliedern im Taktbaum, wie beispielsweise der 8V19N407 von IDT oder der Si5317 von Silicon Labs. Diese Bauelemente filtern das Rauschen aus dem Eingangstaktsignal heraus und erzeugen einen jitterarmen Taktausgang. (na)